挤出设备与加工技术

 挤出技术已有100多年的历史了。早期的挤出机用于挤出橡胶（一种弹性材料）。随着材料的发展，合成粘弹性材料也开始用于挤出。 这些材料的行为不同，对挤出机进行了修改以适应这些新材料。原始的橡胶螺钉利用恒定的深度/可变螺距来压缩橡胶材料，而聚合物螺钉则使用可变的深度/恒定螺距来提供产生压力所必需的压缩力。 用于挤出的机器称为挤出机就不足为奇了。挤出机是复杂的机器，由以下组件组成：

• 马达
• 用于控制电机的驱动系统
• 变速箱
• 挤出机机筒
• 挤出机螺杆
• 用于加热和冷却各种挤出机组件的系统
• 将塑料颗粒引入挤出机机筒的进料系统
• 过滤系统，包括隔板和换网器
• 一死
• 仪表，例如温度，压力和厚度测量
• 各种辅助设备，例如共挤，臭氧化，电晕处理

工艺概述

挤出生产线的配置取决于是否有基材。下图显示了吹膜生产线的基本组成部分，包括：

• 挤出机
• 模具组装
• 自动空气环，以及
• 泡泡笼

未显示旋转塔组件，厚度计，电晕处理机和卷绕机。 

吹膜工艺

在吹膜过程中，一个或多个挤出机将塑料粒料熔化，然后将热的粘性聚合物熔体泵入模具中，从而形成圆形膜。当薄膜离开模头时，它被一个空气环调用，然后向上输送到折叠塔，然后到复卷机上。吹膜生产线的速度通常限制为每分钟几百英尺（100-200 m / min）。

流延膜生产线

流延膜生产线与吹膜生产线的不同之处在于，模头是扁平的而不是圆形的，纤网是用冷却辊而不是空气环冷却的，纤网是水平而不是垂直地输送。由于所使用的冷却方法和树脂的不同，这两种方法产生的膜的性能差异很大。 
下图显示了完整的小型流延膜/挤出涂布线：

该生产线包括通常与挤出涂布生产线相关的所有组件，即：

• 放松的立场
• 电晕处理机
• 液体底漆
• 火焰处理
• 涂层/铸造部分
• 带有共挤进料口的3挤出机系统
• Beta规，以及
• 络筒机

该实验室生产线上的压料辊可以用气刀和真空箱代替，以从挤出涂层配置转换为流延膜配置。此类设备上的线速度经常超过365 m / min（1200 ft / min），并且可能高达760 m / min（2500 ft / min）。
平板挤出模具不限于薄涂层，还可以生产用于后续热成型的厚板，例如，如下图所示。

挤出机本身以及基本的工艺条件可以保持不变，因为在给定的挤出机输出和宽度下，最终产品厚度的变化取决于放线速度。

创新阻隔膜设计逻辑

通过共挤可在任何类型的包装产品中达到多层薄膜更高的阻隔性能水平，而不会影响机械性能和可持续性。参加课程：立即在共挤薄膜中实现高阻隔性能！ 

挤出机

如上所述，挤出机具有几个组件，如下图所示。所有这些部件组合在一起即可生产出可销售的产品。

可以使用相对简单且便宜的模具挤出复杂的形状。 

过程总结

挤出机马达转动变速箱中的齿轮，变速箱与挤出机螺杆相连。挤出机达到工作温度后，螺杆转动，将料斗提供的塑料粒料带入料筒。颗粒通过螺旋刮板的推动作用向前输送。第一次飞行的体积乘以丸粒的堆积密度乘以RPM得出每分钟的输出。
随着小球向前移动，它们在螺杆的压缩（或熔化）部分受到限制。在此部分中，螺杆螺纹的通道深度（H）减小，从而导致该区域中的压力迅速增加。压力将药丸压在药筒壁上，药丸和药筒壁之间的摩擦会增加药丸的温度，使其熔化。
作用在颗粒上的摩擦力决定了所谓的固体输送角，该角度最终决定了挤出机的输出。在熔化开始之前，必须消除固体塑料粒之间的所有空气。否则，将向前输送空气，这将有助于形成凝胶，这是最终产品中通常不希望的缺陷。
随着塑料向下游移动，平均温度升高，越来越多的颗粒熔化。可在螺杆设计中添加高剪切段，以确保在离开挤出机机筒之前完全熔化。
在压缩区内，从螺杆到颗粒的能量转移非常大，该区内的压力很容易达到400 bar（〜6,000 psi）。泵送和熔化的塑料颗粒的能量最终来自挤出机电机，该电机通过齿轮箱和挤出机螺杆传递。一旦塑料离开压缩段，压力就会停止，压力消耗开始。必须产生足够的压力才能将粘稠的熔融塑料通过过滤系统，管道，共挤出适配器和模具从挤出机中输送出去，以使均匀的流动沿着模具的周长或宽度（取决于几何形状）从模具中流出。螺杆设计人员的工作是设计一种螺杆，以提供所需的输出和熔化温度。 

挤出机的目的

挤出机螺杆以及装有它的机筒是挤出过程的核心。挤出机的所有其他组件都支撑螺杆和机筒。 
让我们回顾一下挤出机螺杆的第一个（也是最关键的）功能，即进料，压实和熔化。 
当然，挤出机的目的是将塑料输送，熔化并泵送到模具中。挤出机或多或少对下游设备无动于衷。第一步通常决定挤出机出料端的输出，输出稳定性和熔体质量。单螺杆挤出机通常分为三个部分，即进料，过渡和计量部分，如下图所示。

1. 进料段将塑料粒料（或粉末）引入挤出机机筒。第一次飞行的体积乘以螺杆速度乘以体积密度乘以60，即为每小时的输出量。
2. 过渡段是理论上开始熔融的位置，同时包含固体和液体聚合物。
3. 在螺杆的计量部分，理论上熔融已完成，并且熔融的聚合物可以简单地从挤出机中泵出到模具中。

在图中未示出的可选区域是通风区域，分散混合区域和分布混合区域。 
在第一次飞行之后，料斗就放在料筒上，进料口将塑料粒料带入挤出机料筒，将其向下游输送到过渡段。通道深度在过渡部分中稳定地减小，从而减小了通道体积，这反过来又限制了颗粒的前进路径。
这种限制同时将颗粒紧密地压在一起，直到它们之间没有自由体积为止，即所谓的“固体床”。在螺杆的压缩段期间产生巨大的压力。固体床作为一个整体运动，从而在固体床和桶壁之间产生强烈的摩擦。粒料/固体床之间的摩擦系数（COF）很大程度上决定了无槽单级方节距螺杆中固体的输送角度。 

颗粒和桶之间的b / w COF关系

固体输送角可被认为是固体床沿螺杆螺旋向着挤出机的排出端向下横向延伸的角度。下图显示了两个摩擦系数条件：

• 该图表示所谓的滑条模型。如果小球与筒之间的COF为零，而小球与螺杆之间的COF为1，则小球会在筒上滑动并粘在螺杆上，从而导致零输出。


• 在相反的情况下，如果药丸和药筒之间的COF为1，而药丸和螺杆之间的COF为零，则药丸会粘附在药筒上并在螺杆上滑动，从而导致最大的固体输送角和最大的输出。

挤出机机筒中的流动是螺旋形的，圆柱坐标是该流动的本征。另外，挤出机中的热力学条件是非稳态，非等温的。数学是繁琐的，超出了本文的范围，但是可以说，如果颗粒粘在机筒上，则螺杆将尽快将其擦拭至下游，尽管熔体质量较差，但仍可达到最大产量。
鲍勃·格里高利（Bob Gregory）曾是Egan Machinery的前雇员，后来是该行业的顾问。他在1960年代证明，在聚合物的DSC（差示扫描量热）熔点加15°C时，COF达到最大值。因此，这是理想的进料区设定点温度。

融化机制

消除熔体引发之前进料区的空气以及氧气是至关重要的。如果在消除所有空气之前形成了熔膜，那么空气将被迫向前移动。空气是相对可压缩的，因此输出的变化会随着进气量的增加而增加。工业挤出机中压缩段末端的压力可以达到450 bar，这与高温，高剪切速率和氧气相结合会降解聚合物，导致凝胶化，甚至更糟。必须避免这种情况以确保挤出薄膜的质量。 
如果条件设定正确且螺杆设计正确，则熔化将在进料段的末端开始。下图显示了这种现象，熔膜从第四次飞行开始。

这些图片是从“ 定格 ”实验获得的。这不是确定熔化位置的理想方法，但这是1990年代完成该实验时可用的方法。非常感谢我的同事和朋友，德国Erkrath的Er-We-Pa的已故Dragan Djordjevic，提供了这些照片。从这张照片中，可以很容易地看出，固体床相对致密，并且在第四次飞行中形成了熔体膜。 

总之，粒料和料筒之间的摩擦系数至关重要。在DSC熔点加15°C（应为进料区温度设定点）时，COF达到最大值。优化工艺条件和螺杆设计将最大程度地提高固体输送角度，从而提高产量，以及熔体质量和产量稳定性。 

熔体质量和熔体缺陷的根本原因

在所有挤出工程师的议程中，与熔体质量有关的最重要问题是熔体中出现缺陷的根本原因是： 
“挤出聚合物时，您是否看到规格或夹杂物？例如，PET。我想知道您是否知道夹杂物来自何处，例如未熔融的聚合物，降解的聚合物，环状低聚物等）？ 
规格和夹杂物在挤出薄膜中很常见，但它们是不希望的，而且在成品中常常是不可接受的。这些“夹杂物”通常是气泡，凝胶，浅棕色或黑色色泽，条纹或偶有异物。
气泡是由于粒料中或粒料中的水分，工艺中的降解或由于进料条件不当而导致的空气滞留所致。它们的大小可以是微观的。在这种情况下，您会观察到熔融薄膜的整体雾度。熔帘应该是透明的。
参见下图进行比较：

左边的图片中有成千上万个微气泡，而右边的图片很清晰，所有未着色的融化窗帘也应如此。

确定起泡的原因

较大的气泡将导致可见的空隙，这通常是客户所无法接受的，并且可能导致挤出过程中的网断裂和浪费。如果启动过程执行不当，有时会在启动时看到这些错误。

在药丸中寻找水分

必须确定气泡的来源。水分始终是第一要看的地方。假设粒料中的水分含量在规定范围内（即干燥的树脂，充分干燥等），然后考虑使树脂过热。由于PET是缩聚物，并且水会使聚酯树脂解聚，因此在PET挤出中，粒料中或粒料上的水分特别具有破坏性。根据制造商的建议干燥PET树脂。

保持温度检查

大多数热电偶读取金属温度，而不读取熔融温度。由于水冷效率高，水冷桶会掩盖该部分桶内实际发生的情况。风冷桶的效率不如水冷桶，因此使用风冷桶更容易观察到特定区域的过热。 
一种古老的“交易技巧”是在挤出机达到最高速度并且温度稳定后，关闭机筒的加热和冷却，然后观察机筒温度达到平衡的位置。这些温度是该特定树脂和输出的理想设置。

在挤出机中停留时间更长

另一种可能性是停留时间太长，并且由于在挤出机中的过多时间，树脂仅会降解。在大多数商用挤出机中，正常停留时间为5-8分钟。在设置机器以关闭机器时，许多挤出机操作员将螺杆速度降低到仅几RPM。
如果在100 RPM下的停留时间为8分钟，那么在3 RPM下的停留时间将近4.5小时。对于大多数树脂来说，这是充分的时间，使其完全降解。现在的问题是消除降解的聚合物，凝胶，黑色和棕色规格等。这只能通过广泛的高速吹扫或拆卸挤出机并清洗整个系统，然后在适当的条件下凝视来完成，这意味着最低30 RPM，以便停留时间不会过长。

夹带的空气

如果气泡的频率降低并且本质上更加随机，则存在进料区温度过高的可能性，从而导致过早熔化并因此夹带了空气。挤出机的理想1区温度是DSC熔点加15°C。鲍勃·格雷戈里（Bob Gregory）在1960年代证明了这一点。在DSC + 15°C下，COF达到最大值，这可防止过早熔化并最大化固体床的固体输送角。挤出机中夹带的空气不好，因为在挤出机中途的条件是典型的450+ Bar和接近300°C，这基本上是反应器条件。氧气和聚合物在高温和高压下的存在会产生自由基，从而产生凝胶，浅棕色的碳和/或碳原子规格。参见下图：

如果存在这种情况，请仔细检查所有热电偶，温度设置以及启动/关闭条件。如果融化的窗帘在冒烟，那就太热了。加快挤出机的速度以清除这种过热的物料。如果发现材料或某些温度区域在较高的速度下进一步过热，则说明螺钉设计有问题。 

螺丝设计速记

当需要新的螺杆设计时，设计人员将要求挤出树脂，所需的熔融温度和所需的产量。螺钉设计技术今天非常复杂，设计人员通常会很好地为用户提供可行的螺钉设计。但是，与目标熔体温度，产量和树脂的偏差会改变螺杆性能。

由于大多数挤出机螺杆上通常使用一个或多个“混合”部分，因此今天通常看不到未熔融的树脂。但是，没有高速混合头的老式单级螺杆可以将“未熔体”泵出挤出机，如下图所示。这实际上是聚酯熔融帘中数千个未熔融颗粒的照片。 

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